柔性浮筏隔振系统的建模与动力学特性研究

摘要

为深刻理解浮筏隔振系统的动力学特性对隔振性能的影响,本文分别进行了线性和非线性条件下浮筏系统的动力学特性研究。在简化条件下,进行了线性系统的理论建模、多体动力学和有限元仿真分析,并通过试验手段,对理论和仿真方法的有效性进行检验。在引入非线性隔振器的前提下,对该非线性系统进行了单频激励下的响应分析及全局分析,并根据计算结果,对系统的稳定性进行了定性讨论。
　　柔性浮筏隔振系统的建模分析。本研究将多体动力学理论和阻抗理论进行综合,依据子结构方法的分析思路进行理论建模。首先设定机组为刚性体,依据多刚体动力学理论,建立机组六自由度方向上的扰动及响应方程组;其次对筏架和基础采用阻抗理论,由板变形的偏微分方程得到相应的阻抗矩阵;随后由于筏架在发生柔性变形的同时存在刚体运动,因此进行和机组类似的刚体动力学建模;最后依据各子结构间的力和位移协调条件,综合得到系统的动力学方程组并进行计算分析。
　　柔性浮筏隔振系统的仿真研究。由于舰船隔振系统的质量较大,试验研究极为困难,所以在设计阶段既需要理论分析,又需要可靠的软件进行仿真研究,以达到验证理论解和降低试验成本的目的。本研究采用Adams多体刚柔耦合建模方法对浮筏隔振系统进行仿真研究,并将仿真结果同子结构的理论解对比分析,发现Adams多体刚柔耦合建模方法的仿真结果具有较好的可靠性和精度,可以应用于更复杂的浮筏隔振系统的动力学分析。与有限元方法的对比表明,该仿真方法大大减少了计算时长以及对存储空间的需求,同时降低了铰链、滑移、旋转等约束形式的建模难度。
　　囊式混合介质隔振器的设计与试验研究。以空气弹簧的气囊为容器,在其内部填充可弹性变形的波纹管单元体,并以水为介质替换压缩气体组成囊式混合介质隔振器,以探索隔振器的形式。该处理手段既可以回避气囊的慢性泄漏问题,又可免去附加的监测系统和气体压缩机设备所占据的空间和消耗的动力。通过试验方法,研究了囊式混合介质隔振器的非线性动力学特性在隔振减振方面的作用,试验分析该隔振器的刚度特点以及对重型负载的隔振效果。
　　非线性浮筏隔振系统的建模与计算研究。为提高隔振效果,广泛采用具有非线性刚度特性的隔振器,因此对于浮筏隔振系统开展非线性理论研究具有一定的实际意义。在非线性条件下,频响并不具有线性条件下的输入—输出的频率唯一对应性。因此基于弹性薄板结构的偏微分方程,通过Galerkin方法可得到弹性结构的常微分方程表达式,并进行相应非线性条件下的建模分析。由于复杂非线性系统的仿真方法尚不全面,较难通过成熟的软件直接进行非线性条件下的仿真计算,同时小参数法、多尺度法、KBM方法及谐波及增量谐波平衡法等定量分析方法,主要适用于求解低维非线性动力系统的近似解,即以单自由度系统为代表的速度—位移二维状态空间以及其他三维状态空间系统。实际上大多数动力学问题具有维数高、非线性强等特点,所以当前对非线性系统的分析以数值分析方法为主。本研究通过定量分析和数值手段,分析对称激励条件下的非线性浮筏隔振系统的基本特性。利用多尺度法的一阶近似,分析系统发生内共振及组合共振的条件,并采用定步长的龙格库塔算法,分析非共振条件下系统所具有的动力学特性。
　　非线性浮筏隔振系统的全局分析。在一定初始条件下的系统响应不足以反映系统的全局特性。本研究将全局分析的胞参考点映射(PMUCR)法进行改进,而后将其应用于对称激励条件下非线性浮筏隔振系统的全局分析,并对PMUCR方法在高维非线性系统中的运用准则进行讨论。最后通过打靶法等判断了PMUCR方法得到的吸引子的稳定性。
　　小尺寸浮筏试验模型的试验验证。通过小尺寸的试验模型,验证浮筏系统的线性建模理论及刚柔耦合仿真方法的合理性。为提高模型的精度,采用有限元间接修正方法,对小尺寸筏架和基础板的物理参数进行修正。并将修正后的物理参数分别代入浮筏的理论模型和仿真模型中进行计算分析。最后通过试验测试,对理论建模方法及仿真方法的有效性进行检验,取得了较好的一致性。

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注释表

第一章 绪论

1.1引言

1.2隔振技术的研究历程

1.3浮筏系统的建模及分析方法

1.4高维非线性系统的建模及分析思路

1.5本课题的研究背景及意义

1.6本文的内容安排

第二章 浮筏隔振系统的理论建模与仿真研究

2.1引言

2.2柔性浮筏隔振系统建模

2.3浮筏隔振系统的理论计算和仿真分析

2.4 Adams仿真方法和有限元仿真方法的对比分析

2.5结论

第三章 囊式混合介质隔振器的动力学特性试验及分析

3.1引言

3.2囊式混合介质隔振器的动力学特性理论分析

3.3囊容器试验装置及试验方法

3.4试验结果与分析

3.5填充液固混合介质气囊的动力学计算

3.6结论

第四章 柔性浮筏隔振系统的非共振响应分析

4.1引言

4.2非线性浮筏隔振系统的动力学建模

4.3浮筏隔振系统的算例分析

4.4结论

第五章 PMUCR方法在高维系统中的分析及运用

5.1引言

5.2计算方法

5.3算例分析

5.4结论

第六章 浮筏模型的试验验证

6.1引言

6.2试验模型及测试系统

6.3弹性子结构的有限元分析及试验

6.4模型修正技术及模型修正

6.5浮筏隔振系统的虚拟样机分析及试验

6.6结论

第七章 总结与展望

7.1全文工作总结

7.2学术上的创新

7.3进一步的展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果